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全面了解变压器主体的材料和构造

更新时间:2023-07-05 点击量:374

变压器主体的主要材料包括磁路材料、电路材料、绝缘材料、结构材料等,其具体材料用途和类别有:

1. 硅钢片


在变压器中,对硅钢性能的要求主要是:

①铁损低,这是硅钢片质量的最重要指标。各国都根据铁损值划分牌号,铁损愈低,牌号愈高。

②较强磁场下磁感应强度(磁感)高,这使电机和变压器的铁心体积与重量减小,节约硅钢片、铜线和绝缘材料等。

③表面光滑、平整和厚度均匀,可以提高铁心的填充系数。

④冲片性好,易于加工。

⑤表面绝缘膜的附着性和焊接性良好,能防蚀和改善冲片性。

⑥基本无磁时效。

硅钢片的分类及牌号定义



变压器通常采用冷轧取向硅钢片,以确保其空载的能效水平。冷轧取向硅钢片按照性能和加工方式,又可分为普通冷轧取向硅钢片、高导磁硅钢片(或高磁感硅钢片)、激光刻痕硅钢片。通常,将50Hz,800A交变磁场(峰值)下,铁心所达到的最小磁极化强度B800A=1.78T~1.85T的硅钢片称为普通硅钢片,记为“CGO",而B800A=1.85T以上的硅钢片记为高导磁硅钢片(高磁感硅钢片),记为“Hi-B钢",Hi-B钢其与常规硅钢片的主要区别在于:Hi-B钢的高斯方位织构度非常高,即在易磁化方向上的硅钢晶粒排列位向整齐度非常高,工业上采用二次再结晶过程制造含硅量为3%的硅钢片,Hi-B钢的晶粒位向与轧制方向的平均偏差为3°,而普通硅钢片为7°,从而使得Hi-B钢有更高的磁导率,通常其B800A可达到1.88T以上,提高了高斯方位织构度以及磁导率可降低铁损。Hi-B钢的另一个特点是钢片表面附有的玻璃膜和绝缘涂层的弹性张力为3~5N/mm²,较普通取向硅钢片的1~2 N/mm²更优,钢带表面的高张力层可减少磁畴宽度,减少异常涡流损耗。故Hi-B钢比常规取向硅钢片具有更低的铁损值。

激光刻痕硅钢片则是在Hi-B钢的基础上,通过激光束照射技术,使其表面产生微小的应变,进一步磁轴细化,实现更低的铁损。激光刻痕硅钢片不能进行退火处理,因为提高温度,则激光处理效果便会消失。


不同牌号的硅钢片其物理特性基本相当,密度基本都是7.65g/cm³。对于同种类硅钢片而言,其性能质量主要区别还是在硅的含量以及生产过程的工艺影响。


2. 非晶合金铁心

非晶合金材料是20世纪70年代问世的一种新型合金材料,它采用先进的超急冷技术将液态金属以106℃/S冷却速度直接冷却形成厚度0.02~0.03mm的固体薄带,在它还没来得及结晶时就已经固化。该合金材料与玻璃类似呈不规则原子排列,没有金属表征的晶体结构,它的基础元素为铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、硅(Si)、硼(B)、碳(C)等。其材料具有以下优点:

a) 非晶合金材料不存在晶体结构,是一种各向同性的软磁材料;磁化功率小,具有良好的温度稳定性。由于非晶合金为无取向材料,故可以采用直接缝,使制造铁心的工艺比较简单;

b) 不存在阻碍磁畴移动的结构缺陷,磁滞损耗要比硅钢片小;

c) 带材的厚度极薄,只有0.02~0.03㎜,是硅钢片的1/10左右。

d) 电阻率高,约为取向硅钢片的3倍;非晶合金材料的涡流损耗大大降低,因此单位损耗约为取向硅钢片的20%~30%;

e)退火温度低,约为取向硅钢片的1/2;
非晶合金铁心空载性能优越,采用非晶合金铁心制造的变压器其空载损耗较常规变压器下降70~80%,空载电流下降50%以上,节能效果突出,目前电网公司在国家节能减排降低网络线损的目的下,国家电网和南方电网从2012年开始均大力提高了非晶合金变压器的采购比例,目前基本上非晶合金配变采购占比已达50%以上。

非晶合金变压器也存在以下几个缺点:


1)饱和磁密低,非晶合金铁心的饱和磁密




通常在1.56T左右,较常规硅钢片1.9T的饱和磁密相差20%左右,故其变压器设计磁密也同样需要下降20%,非晶合金油变的设计磁密通常在1.35T以下,非晶合金干变的设计磁密通常在1.2T以下。

2)非晶合计铁心带材受应力影响敏感,其铁心带材受到应力后,空载性能容易劣化,故在结构上要特别注意,铁心应采用悬挂方式落在支撑框架和线圈上,整体仅承受自身重力,同时,装配过程中需特别注意,铁心不能受力,要减少敲打等方式。

3)磁致伸缩较常规硅钢片大10%左右,故其噪声较难控制,这也是限制非晶合金变压器广泛推广的主要原因之一,目前,南网和国网招标中均对非晶合金变压器的噪声提出了较高要求,分为敏感区和非敏感区,并有针对性的提出了声级要求,这就要求更进一步降低铁心设计磁密。

4)非晶合金带材较薄,厚度只有0.03mm,故无法向常规硅钢片那样做成叠片形式,只能制作成卷铁心形式,故其铁心结构常规变压器厂家无法自行加工,通常需整体外购,对应于卷铁心带材的矩形截面,非晶合金变压器的线圈通常也做成矩形结构;

5)国产化程度不够,目前主要还是进口日立金属的非晶合金带材为主,正在逐步实现国产化,国内已有安泰科技和青岛云路等具备非晶合金宽带(213mm、170mm和142mm),且其性能较进口带材在稳定性上还存在一定差距。

6)最大带长限制,前期非晶合金带材最大外周带长由于退火炉尺寸的限制,其长度也受到了较大限制,不过目前已基本解决,可制作最大外周带长10m的非晶合金铁心框,可用于制造3150kVA及以下非晶合金干变和10000kVA及以下非晶合金油变。

基于非晶合金变压器的优秀节能效果,再加上国家节能减排以及一系列政策的促进,非晶合金变压器市场越来越大,并且,考虑到非晶合金带材(目前为26.5元/kg)价格是常规硅钢片(30Q120或30Q130)的两倍左右,与铜差距相对较小,再考虑到电网产品的质量和招标要求,故,非晶合金变压器通常采用铜导体。与常规硅钢片相比,非晶合金变压器成本主要差距如下:

1)由于采用卷铁心结构,故变压器铁心型式宜采用三相五柱结构,这样可以减少单框铁心重量,减低装配难度,三相五柱结构和三相三柱结构从成本上各有优劣,目前大部分厂家采用三相五柱结构。采购回来的单框铁心和组装如图2所示:



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2)由于心柱截面为矩形,故为了保持绝缘距离上的一致,高低压线圈也对应的制造成矩形结构。

3)由于铁心设计磁密较常规硅钢片变压器低约25%,且其铁心叠片系数大约在0.87左右,较常规硅钢片的0.97要低许多,故其设计截面积需要较常规硅钢片变压器要大25%以上,对应的其高低压线圈周长也要随之增加,同时,还需要考虑高低压线圈线匝长度的增加,若要保证线圈的负载损耗不发生变化,其导线截面积则需要对应的有所增加,故,非晶合金变压器的铜用量较常规变压器要多约20%。

3. 电路材料


概述

变压器内部电路主要由绕组(也称为线圈)构成,它与外界的电网直接相连,是变压器的核心组成部分,变压器的内部电路通常是由导线绕组而成,导线(电磁线)按材质分为铜导线和铝导线,按导线截面形状又分为圆导线、扁导线(又可分为单根线、组合线和换位导线)、箔式导体等,导线与导线之间覆盖不同类型的绝缘层,最终形成整体线圈。故,变压器电路的主要导体材料为铜和铝。

3.1 铜材和铝材的特性对比

铜和铝均是导电性能较好的金属材料,是制作变压器线圈的常用导体,其在物理性能上的差异如下表所示:

表1 铜铝物理性能对比


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3.2 铜铝导线在变压器绕组中的性能对比

铜铝变压器的差异也是由材料的差异决定的,具体表现在以下几个方面:

1)铜导体的电阻率仅仅是铝导体的60%左右,为了达到相同的损耗和温升要求,所需使用的铝导体截面积要较铜导体大60%以上,所以相同容量和相同参数情况下,铝导体变压器体积通常要较铜导体变压器大,不过此时变压器的散热面积也有所增加,所以其对油温升较低;

2)铝的密度仅为铜的30%左右,所以铝导体配电变压器要较铜导体配电变压器要轻;

3)铝导体的熔点较铜导体低许多,所以其在短路电流的温升限值为250℃,较铜导体的350℃低,所以其设计电密要较铜导体低,变压器导线截面积要大,故体积也较铜导体变压器大;

4)铝导体硬度较低,故其表面毛刺较易消除,故制成变压器后,其由于毛刺产生的匝间或层间短路的概率减少;

5)由于铝导体的抗拉、抗压强度较低,机械强度差,故铝导体变压器承受短路能力不如铜导体变压器,在进行动稳定计算时,铝导体的应力应小于450kg/cm2,而铜导体的应力限值为1600kg/cm2,承受能力大幅提高;

6)铝导体与铜导体之间的焊接工艺较差,接头焊接质量不易保证,一定程度上影响了铝导体的可靠性。

7)铝导体的比热为铜导体的239%,但是考虑到二者密度和设计电密的差异,实际二者的热时间常数相差并不如比热差值体现的那么大,故对其制成干式变压器的短时过载能力影响并不大。
4. 绝缘材料


5.材料结构和附件

在变压器中,还有结构材料和附件,结构材料主要起到变压器支承、磁路、电路加固、变压器绝缘液封装等功能,包括夹件、油箱、散热器、储油柜等,其主要材料为Q235钢材,对于油箱箱盖的出线套管位置常采用无磁钢以减少涡流,此外变压器器身内部有时也会在采用无磁钢或高牌号钢材。



变压器附件主要其性能监测和保护功能,干变中包括温控器、风机、互感器等,油变中包括气体继电器、温控器、压力释放阀、分接开关等,部分附件需求是由客户提出。




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